紅外隱身涂料環(huán)溫發(fā)射率校準(zhǔn)技術(shù)

楊毓鑫，王學(xué)新，張 旭，俞 兵，李四維，謝 毅，閆曉宇

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所 國防科技工業(yè)光學(xué)一級計(jì)量站，陜西 西安 710065）

引言

隨著紅外傳感器技術(shù)水平的飛速發(fā)展，紅外探測系統(tǒng)對各種目標(biāo)的探測距離、識別準(zhǔn)確度等都大大提升[1]。同時(shí)各國也開始大力發(fā)展紅外隱身技術(shù)，開展紅外隱身材料研究[2-3]，采用紅外隱身材料作為蒙皮涂料，是軍用飛機(jī)降低自身發(fā)射率，減弱敵方紅外探測系統(tǒng)威脅的重要手段之一[4-5]。在不同紅外波段下測量涂有隱身涂料蒙皮樣品的光譜發(fā)射率是一種經(jīng)濟(jì)有效的飛機(jī)隱身性能驗(yàn)證手段[6-7]。為了定量描述涂層材料的隱身效果，研制了環(huán)境溫度下紅外隱身涂料光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置，采用傅里葉變換光譜儀作為光譜分光模塊，利用垂直入射/漫射接收的方法采集紅外光譜信號，通過與標(biāo)準(zhǔn)漫反射片比對獲得材料光譜發(fā)射率測量結(jié)果，為后續(xù)研究提供重要技術(shù)支持[8-10]。

1 測量方法

對于具有漫反射特性的材料，紅外隱身涂料光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置采用垂直入射/漫射接收的方法進(jìn)行，通過測量標(biāo)準(zhǔn)片與被測樣品的漫反射通量間接計(jì)算得到被測樣品的半球發(fā)射率，示意圖如圖1 所示。D 為放置探測器窗口，探測器的響應(yīng)度為固定值，將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號；S 為放置標(biāo)準(zhǔn)反射板或待測樣品窗口；P 為擋屏；M 為反射鏡[11]。積分球內(nèi)部放置反射鏡，入射光束經(jīng)反射后到達(dá)被測樣品，D 與S 之間放置P，防止標(biāo)準(zhǔn)片與被測樣品之間第一次的反射光直接進(jìn)入探測器[12]。到達(dá)被測樣品的入射光光軸與被測樣品法線之間夾角不大于10°，入射光束的光軸與任何光線之間夾角不大于5°。測量時(shí)任何規(guī)則漫反射光束不能從積分球的入射窗口出射[13]。入射光束通過積分球內(nèi)部多次反射轉(zhuǎn)換為漫反射通量后被探測器接收。入射窗的總面積不超過積分球內(nèi)部反射面積的10%。

圖1 光譜發(fā)射率測量示意圖Fig.1 Schematic of spectral emissivity measurement

2 校準(zhǔn)裝置組成

環(huán)境溫度下紅外隱身涂料光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置主要由紅外準(zhǔn)直光源、光譜分光模塊、積分球樣品室、紅外探測系統(tǒng)、探測信號處理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)組成，如圖2 所示。紅外準(zhǔn)直光源提供覆蓋波長范圍3 μm～12 μm 的高穩(wěn)定準(zhǔn)直紅外輻射信號。光譜分光模塊為基于邁克爾遜干涉理論的傅里葉變化光譜儀，主要用于將紅外輻射信號細(xì)分為最小光譜分辨率可達(dá)0.5 cm-1的單光譜信號。積分球樣品室整體鍍金，主要用于放置樣品，使出射光束為漫射信號。紅外探測系統(tǒng)用于紅外輻射收集，并實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。探測信號處理系統(tǒng)主要用于探測器輸出信號濾波放大及A/D 轉(zhuǎn)換等。計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)主要用于主機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集計(jì)算，顯示測量結(jié)果。

圖2 光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.2 Schematic of spectral emissivity calibration device

光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置工作原理如圖3 所示。紅外光源1 發(fā)出的輻射，經(jīng)過光闌2 和準(zhǔn)直鏡3 準(zhǔn)直后變?yōu)槠叫休椛?，平行輻射進(jìn)入光譜分光模塊4 后細(xì)分為連續(xù)單色光，然后通過積分球窗口6 照射到被測樣品7 上，單色光經(jīng)過被測樣品7 發(fā)生漫反射，漫反射光在積分球5 內(nèi)通過多次反射后照射到紅外探測器8 的光敏面上，通過探測器光電轉(zhuǎn)換后光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過探測信號處理系統(tǒng)后被計(jì)算機(jī)采集。2 次測量得到標(biāo)準(zhǔn)漫反射片和被測樣品的光譜電壓信號，通過比較得到被測樣品的光譜反射率，根據(jù)式（1）即可得到被測樣品的半球發(fā)射率[16]。

圖3 光譜發(fā)射率測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of spectral emissivity calibration device

2.1 紅外準(zhǔn)直光源

紅外準(zhǔn)直光源主要由紅外光源、光闌和準(zhǔn)直鏡組成。光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置需要的理想紅外光源應(yīng)具備以下特征：1）光源發(fā)出的光譜連續(xù)，在所使用的波長范圍內(nèi)可提供連續(xù)輻射；2）輻射能量不隨著波長的變化而變化，且具有足夠的強(qiáng)度；3）使用壽命長；4）具有良好的穩(wěn)定性[17-18]。

紅外光源一般選擇性能穩(wěn)定不易氧化的材料制作，并且通電后發(fā)熱能夠產(chǎn)生高強(qiáng)度的紅外輻射，通常使用的主要有能斯特?zé)?、硅碳棒光源以及陶瓷光源。能斯特?zé)羰怯裳趸?、氧化釔、氧化釷混合物燒結(jié)而成的中空棒或?qū)嵭陌?，其兩端繞有鉑絲作為電極，工作時(shí)不用水冷卻，發(fā)出的光強(qiáng)較強(qiáng)，但機(jī)械強(qiáng)度較差，使用前需預(yù)熱。硅碳棒是一種紅外輻射的強(qiáng)光源，適合在波數(shù)100 cm-1～6 000 cm-1范圍應(yīng)用。傳統(tǒng)硅碳棒的優(yōu)點(diǎn)是光源能量高、功率大、發(fā)光面積大、較堅(jiān)固，缺點(diǎn)是耗能高、熱輻射強(qiáng)，使用時(shí)兩端需要用水冷卻電極接觸點(diǎn)。陶瓷光源是陶瓷器件保護(hù)下的鎳鉻鐵合金線光源，早期的陶瓷光源為水冷卻光源，現(xiàn)在使用的基本為空氣冷卻光源。光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置選用的光源為陶瓷光源，可覆蓋0.4 μm～30 μm 的波段范圍。

電動孔徑光闌用于調(diào)節(jié)輻射通量，光闌孔徑大小可變。當(dāng)增大光闌孔徑時(shí)，輻射通量就加大，有利于提高裝置的靈敏度；而縮小光闌孔徑時(shí)，光通量降低，但可擋掉一些雜散光，改善輸出信號的質(zhì)量，可以提高光譜分辨率。光闌設(shè)置不當(dāng)，散射光過強(qiáng)，測量重復(fù)性降低，光譜會產(chǎn)生峰位移。準(zhǔn)直鏡為拋物面反射鏡，用于將紅外光源發(fā)出的點(diǎn)源輻射準(zhǔn)直為平行光。采用離軸全反射式設(shè)計(jì)，無中心遮擋，表面鍍高反射金膜，確保有充足的光通量進(jìn)入分光模塊，提高了裝置的信噪比。

2.2 光譜分光模塊

光譜分光模塊是光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置的關(guān)鍵組件，其性能水平對發(fā)射率測量結(jié)果有重要影響。

常用的光譜分光方式主要有3 種：光柵分光、CVF 分光和傅里葉干涉分光。光柵分光利用衍射原理，通過光柵的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)分光，光柵采用電機(jī)控制，掃描一次時(shí)間較長，測量速度慢。CVF 分光裝置采用漸變?yōu)V光片旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)分光，其波長分辨率比較低，一次測量可采集100 個(gè)波長的信號。傅里葉干涉分光是目前最先進(jìn)的分光方式，基于邁克爾遜干涉理論，將空間調(diào)制轉(zhuǎn)換到時(shí)間調(diào)制型的干涉光譜，主要由動鏡、定鏡、分束器、補(bǔ)償板等組成，具有掃描速度快、靈敏度高、光譜分辨率高、光通量高、信噪比高、雜散光抑制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于快速、高精度、寬光譜測量[19]。

光譜分光模塊采用基于邁克爾遜干涉理論的傅里葉變換光譜儀，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。動鏡與定鏡為2 塊精密磨光的平面反射鏡，相互垂直安裝構(gòu)成光譜儀的兩臂，動鏡在直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下沿軸向前后移動；定鏡保持位置不變，分束器的后表面上鍍有由一種半透半反的光學(xué)材料制成的分束膜，即為介質(zhì)膜分束器，入射光線在分束膜處通過反射和透射被分成2 束光，在光路中加入補(bǔ)償板以保證兩光束間無相位差，光譜分光模塊采用直線型動鏡產(chǎn)生光程差，從而實(shí)現(xiàn)干涉分光。

圖4 光譜分光模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of spectral spectrometer module

光譜分辨率是指分光儀器對2 個(gè)相鄰的譜線的辨別能力，分辨率影響光譜發(fā)射率測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。傅里葉變換光譜儀的光譜分辨率由掃描速度決定，可達(dá)到色散型分光儀器的數(shù)百倍，且在任何測量時(shí)間內(nèi)都能獲得輻射源所有頻率的全部信息。傅里葉變換光譜儀的掃描速度主要由動鏡的移動速度決定，動鏡移動一次即可采集所有信息。因此一般采用在一次測量中多次掃描，累加求平均的方法得到干涉光譜圖，同時(shí)有效地提高了信噪比，在相同的總測量時(shí)間和相同的光譜分辨率條件下，傅里葉變換光譜儀信噪比可達(dá)色散型分光儀器的10 倍以上。因此，采用傅里葉變換光譜作為光譜分光模塊，校準(zhǔn)裝置的光譜分辨率可達(dá)0.5 cm-1。

波數(shù)的準(zhǔn)確性是指經(jīng)過傅里葉變換后得到的光譜圖中吸收峰對應(yīng)的波數(shù)值與該吸收峰真實(shí)波數(shù)值的一致性，波數(shù)是光譜發(fā)射率定性分析的關(guān)鍵參數(shù)，波數(shù)準(zhǔn)確性影響校準(zhǔn)裝置的重復(fù)性。傅里葉變換光譜儀的波數(shù)準(zhǔn)確性可由分光裝置中動鏡精確驅(qū)動控制，而動鏡的移動距離可通過激光光源的干涉條紋來測量。傅里葉變換光譜儀一般采用He-Ne 氣體激光器作為激光光源，在激光器內(nèi)部，氣體分子在電子振蕩器的激勵(lì)下發(fā)生非彈性碰撞，當(dāng)電子躍遷時(shí)產(chǎn)生激光。He-Ne 激光器能產(chǎn)生噪聲低、功率穩(wěn)定性好、發(fā)散角小的優(yōu)質(zhì)光束。激光光束的光譜線寬窄，具有很好的單色性，能保持長距離的相干性，擁有高頻率穩(wěn)定度和高強(qiáng)度穩(wěn)定度性能，最高的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-10，從而保證傅里葉變換后得到的光譜圖有很高的波數(shù)精度和準(zhǔn)確度，滿足光譜分光模塊的重復(fù)性要求。

2.3 紅外探測系統(tǒng)與探測信號處理系統(tǒng)

紅外探測器是光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置中信號采集的核心器件，通常分為熱探測器和光子探測器兩大類。熱探測器中性能最好的為熱釋電探測器，可全波段響應(yīng)，實(shí)際工作波長范圍僅受到窗口材料限制。熱釋電紅外探測器中最常用的為TGS(Tri-glycine sulfate)探測器，主要采用硫酸三甘肽晶體（（NH2CHCOOH）3·H2SO4）制成，利用熱釋電效應(yīng)工作。熱釋電效應(yīng)和入射光的波長及強(qiáng)度有關(guān)，故可以利用它探測紅外干涉光信號。DTGS(Deuterated tri-glyceride sulfate)是目前使用最廣的中紅外探測器，即為氘化的TGS 探測器，可在室溫下工作，且無需液氮或其他冷卻裝置。居里點(diǎn)溫度為62℃，熱點(diǎn)系數(shù)小于TGS。在傳統(tǒng)的DTGS 上涂上L-丙氨酸，可提高探測器的熱電系數(shù)和極化的穩(wěn)定性。因此，光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置采用熱釋電型探測器采集紅外光譜信號。

探測器信號處理系統(tǒng)組成框圖如圖5 所示。在探測器信號處理系統(tǒng)中，當(dāng)測量高發(fā)射樣品時(shí)，紅外探測器接收到的信號非常小，微弱信號探測容易受到環(huán)境和電場的干擾，因而探測器信號電路全部安裝在一個(gè)屏蔽罩內(nèi)。在注意抑制干擾的同時(shí)對信號進(jìn)行放大處理，放大電路采用自有噪聲低且抑制比高的電路設(shè)計(jì)，保證探測器由穩(wěn)定且低噪聲的電源供電，提高其微弱電流信號的輸出質(zhì)量，同時(shí)也保證了后續(xù)放大與濾波電路不被引入較多的電源噪聲。除了采用外殼屏蔽外，其與探測器的數(shù)據(jù)線采用屏蔽線，確保信號不受干擾。在放大電路之后再加一高階帶通濾波電路來進(jìn)一步削弱噪聲的影響，提高裝置的信噪比。為了適應(yīng)不同信號強(qiáng)度的探測，探測器信號處理系統(tǒng)增加了增益調(diào)節(jié)功能。數(shù)據(jù)采集處理卡的作用就是將紅外探測器輸出的電信號通過模擬電路放大濾波等操作以后，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入計(jì)算機(jī)。

圖5 紅外探測器信號處理模塊框圖Fig.5 Block diagram of infrared detector signal processing module

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 發(fā)射率的測量

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用校準(zhǔn)裝置測量得到黃銅、不銹鋼（光面）、不銹鋼（毛面）樣品的發(fā)射率，如圖6 所示。對環(huán)溫下黃銅樣品和光面、毛面不銹鋼樣品在3 μm～12 μm 波長下的光譜發(fā)射率測量結(jié)果如圖7 所示。對黃銅樣品進(jìn)行6 次測量后，在3 個(gè)典型波長處的發(fā)射率測量重復(fù)性結(jié)果如表1 所示。

表1 黃銅樣品測量結(jié)果重復(fù)性Table 1 Repeatability of measurement results for brass samples

圖6 黃銅、不銹鋼（光面）、不銹鋼（毛面）樣品Fig.6 Samples of brass,stainless steel (smooth),and stainless steel (rough)

圖7 校準(zhǔn)裝置光譜發(fā)射率測量結(jié)果Fig.7 Measurement results of spectral emissivity for calibration device

3.3 測量不確定度評估

光譜發(fā)射率測量采用反射法，其測量不確定度的主要來源有：標(biāo)準(zhǔn)漫反射片帶來的測量不確定度u1；裝置標(biāo)定的非線性引起的測量不確定度u2；測量結(jié)果重復(fù)性引起A 類測量不確定度u3；重復(fù)性引入的測量不確定度由重復(fù)性試驗(yàn)得到。

由于各分量之間獨(dú)立不相關(guān)，所以合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度[20-22]為

按照置信水平為95%，取k=2，則相對擴(kuò)展測量不確定度為

將所有不確定度分量代入，計(jì)算得到測量黃銅樣品時(shí)，光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置的不確定度為3.2%。在后續(xù)的研究中，提高校準(zhǔn)裝置的標(biāo)定準(zhǔn)確度，有利于測量不確定度提升。

4 結(jié)論

介紹了一種環(huán)境溫度下紅外隱身涂料光譜發(fā)射率測量方法，采用垂直入射/漫射接收的方法及間接計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了光譜發(fā)射率測量。在此基礎(chǔ)上，建立了環(huán)溫下紅外隱身涂料光譜發(fā)射率校準(zhǔn)裝置，提出了以標(biāo)準(zhǔn)漫反射片為標(biāo)準(zhǔn)的溯源方法，實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)裝置的溯源。測量光譜范圍為3 μm～12 μm，測量不確定度為3.2%（k=2）。

隨著飛行器紅外隱身技術(shù)與紅外探測系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，該裝置可為飛機(jī)紅外隱身性能的評價(jià)與提升提供計(jì)量保障，具有廣闊的應(yīng)用前景。